La densité énergétique des batteries lithium-ion traditionnelles approche d’un point de saturation qui ne permet pas de répondre aux exigences de l’avenir, par exemple dans les véhicules électriques. Les batteries au lithium métal peuvent fournir deux fois plus d’énergie par unité de poids que les batteries au lithium-ion. Le plus grand défi, qui entrave son application, est la formation de dendrites de lithium, de petites structures en forme d’aiguille, semblables aux stalagmites d’une grotte de pierre, sur l’anode de lithium métal. Ces dendrites continuent souvent à se développer jusqu’à percer la membrane séparatrice, provoquant un court-circuit de la batterie et finissant par la détruire.
Depuis de nombreuses années, les experts du monde entier cherchent une solution à ce problème. Des scientifiques de l’université Friedrich Schiller d’Iéna, en collaboration avec des collègues de l’université de Boston (BU) et de l’université d’État de Wayne (WSU), ont réussi à empêcher la formation de dendrites et donc à doubler au moins la durée de vie d’une batterie au lithium métal. Les chercheurs présentent leur méthode dans la célèbre revue « Advanced Energy Materials ».
Une membrane bidimensionnelle empêche la nucléation des dendrites
Au cours du processus de transfert de charge, les ions lithium vont et viennent entre l’anode et la cathode. Chaque fois qu’ils captent un électron, ils déposent un atome de lithium et ces atomes s’accumulent sur l’anode. Une surface cristalline se forme, qui croît en trois dimensions là où les atomes s’accumulent, créant ainsi les dendrites. Les pores de la membrane séparatrice influencent la nucléation des dendrites. Si le transport des ions est plus homogène, la nucléation des dendrites peut être évitée.
« C’est pourquoi nous avons appliqué au séparateur une membrane bidimensionnelle extrêmement fine en carbone, dont les pores ont un diamètre inférieur à un nanomètre« , explique le professeur Andrey Turchanin de l’université d’Iéna. « Ces minuscules ouvertures sont inférieures à la taille critique des noyaux et empêchent donc la nucléation qui conduit à la formation de dendrites. Au lieu de former des structures dendritiques, le lithium se dépose sur l’anode sous la forme d’un film lisse. » La membrane séparatrice ne risque pas d’être endommagée par ce phénomène et la fonctionnalité de la batterie n’est pas affectée.
« Pour tester notre méthode, nous avons rechargé à plusieurs reprises des batteries d’essai équipées de notre membrane séparatrice hybride« , explique le Dr Antony George de l’université d’Iéna. « Même après des centaines de cycles de charge et de décharge, nous n’avons pu détecter aucune croissance dendritique.«
« L’innovation clé ici est la stabilisation de l’interface électrode/électrolyte avec une membrane ultra-mince qui ne modifie pas le processus actuel de fabrication des batteries« , explique le professeur associé Leela Mohana Reddy Arava de la WSU. « La stabilité de l’interface est essentielle pour améliorer les performances et la sécurité d’un système électrochimique.«
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Demande de brevet
Les batteries à haute densité d’énergie augmentent l’autonomie des véhicules électriques (VE) pour le même poids/volume de la batterie qu’un VE moderne possède et permettent aux appareils électroniques portables de durer plus longtemps en une seule charge. « Le séparateur reçoit le moins d’attention par rapport aux autres composants de la batterie« , explique Sathish Rajendran, étudiant diplômé à la WSU. « La mesure dans laquelle une membrane bidimensionnelle d’un nanomètre d’épaisseur sur le séparateur pourrait faire une différence dans la durée de vie d’une batterie est fascinante.«
Par conséquent, l’équipe de recherche est convaincue que ses découvertes ont le potentiel de faire émerger une nouvelle génération de batteries au lithium. Elle a donc déposé une demande de brevet pour sa méthode.
La prochaine étape consiste à voir comment l’application de la membrane bidimensionnelle peut être intégrée dans le processus de fabrication. Les chercheurs souhaitent également appliquer l’idée à d’autres types de batteries.
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